Tratamento por gaseificação

A gaseificação é uma tecnologia que reduz o volume de resíduos, remove compostos orgânicos tóxicos e fixa metais pesados no sólido resultante (ARENA, 2012). O processo de gaseificação pode converter carvão, biomassa, resíduos agrícolas, lodo de esgoto, resíduos sólidos urbanos e resíduos de petróleo em um gás de gaseificação composto principalmente de CO, H2, CH4, e, em menor concentração, hidrocarbonetos leves, tais como etileno (C2H4),

etano (C2H6), propano (C3H8) e propileno (C3H6), sendo que a mistura gasosa pode ser usada

composição do gás de gaseificação dependem das reações envolvidas no processo e de condições, tais como: temperatura, taxa de aquecimento, AG, umidade do combustível, tamanho da partícula, composição do reagente, pressão e tempo de residência das partículas/gotículas (BASU, 2013).

Os dois principais tipos de gaseificadores são o de leito fixo e o leito fluidizado. Em gaseificadores de leito fluidizado, a velocidade do AG é suficientemente alta para suspender as partículas do combustível dentro do gaseificador, fornecendo uma grande área de superfície para o AG entrar em contato. As vantagens potenciais deste tipo de gaseificadores são distribuição de temperatura uniforme e melhores taxas de contato gás-sólido. Assim, um leito fluidizado mantém um campo de temperatura homogêneo e é mais flexível no sentido de grandes variações na qualidade do combustível (SAFARIAN et al., 2019). Os gaseificadores de leito fluidizado operam tipicamente em temperaturas de 800 a 1000 °C para gerar uma menor quantidade de cinzas e são geralmente equipados com ciclones para remover partículas sólidas arrastadas pelo gás produzido. Outra vantagem deste tipo de gaseificador é que a sua elevada inércia térmica lhe permite gaseificar diferentes tipos de combustível desde que estejam em uma faixa de tamanho de partícula adequada para fluidizar (CANABARRO et al., 2013). Dependendo do padrão de fluidização, esses gaseificadores podem ser classificados como leito fluidizado borbulhante ou leito fluidizado circulante, tal como é apresentado na Figura 2.7.

Figura 2.7. Gaseificador leito fluidizado: A) borbulhante, B) circulante. Fonte: (ROCHA, 2015).

Os gaseificadores de leito fixo operam a temperaturas em torno de 700 até 1100 °C (YAHAYA et al., 2019). Dependendo da direção do fluxo do AG, os gaseificadores são classificados como de contracorrente e co-corrente.

No gaseificador em contracorrente (Figura 2.8 a), o combustível é introduzido pela parte superior e o AG na parte inferior da unidade através de uma grelha. Imediatamente acima da grelha, o char (o sólido residual remanescente após a liberação dos voláteis) formado nesta etapa é queimado a temperaturas próximas a 1000 °C. A cinza cai pela grelha no fundo e os gases quentes ascendem e são reduzidos (ISMAIL e EL-SALAM, 2017).

No gaseificador tipo co-corrente (Figura 2.8b), o combustível e o AG se movimentam na mesma direção, no sentido descendente. O gás produzido deixa o gaseificador após passar pela zona quente, permitindo o craqueamento parcial do alcatrão formado durante a gaseificação e fornecendo um gás com baixo teor de alcatrão. Como os gases deixam a unidade de gaseificação a temperaturas próximas de 900 a 1000ºC, a eficiência energética global de um gaseificador de co-corrente é baixa, devido ao elevado fluxo de calor transportado pelo gás quente (SUSASTRIAWAN et al., 2017).

Figura 2.8. Gaseificador de leito fixo: A) contracorrente B) co-corrente. Fonte: Adaptado de Mckendry (2002).

Com relação à utilização da gaseificação na indústria de petróleo, a empresa Shell desenvolveu um processo de gaseificação com o objetivo de realizar uma oxidação parcial de

óleos pesados, principalmente para a produção de hidrogênio nas refinarias, posteriormente esse processo foi adaptado para a gaseificação de carvão (GRAY, 2017).

Já no contexto da gaseificação de borras de petróleo e óleos pesados, Moltó et al. (2013) realizaram vários testes para avaliar a produção de gás de gaseificação durante a pirólise/gaseificação de borra de petróleo. Os autores levaram em consideração diferentes velocidades de aquecimento (aprox. 4 e 10 K/s) e diferentes tempos de contato entre os gases e para dois tipos de borra. Observaram que, comparando a quantidade absoluta de gás de gaseificação que pode ser produzida, a borra proveniente dos separadores parece ser mais interessante, porque produz mais hidrogênio (aprox. 200 mg/g) que a borra que provem dos decantadores (aprox. 140 mg/g). Concluíram que a presença que uma maior taxa de aquecimento produz uma diminuição na produção de H2, o que favorece a produção de CH4 e

CO2 no gás.

Ashizawa et al. (2005) realizaram testes de gaseificação de Orimulsion™ (emulsão de betume-água) usando um gaseificador de bancada e O2 como AG. O gás de gaseificação

produzido utilizando uma RE de 0,38 contém cerca de 40% de CO e H2, 0,1% de CH4 e 12%

de H2O. Os autores observaram uma alta eficiência de conversão do char na região superior

do gaseificador e também que as concentrações dos gases no gaseificador se aproximam daquelas esperadas com base em cálculos de equilíbrio para a reação de shift, concluindo que o volume do gaseificador deve ser projetado considerando a temperatura de saída dos gases de gaseificação.

Ahmed et al. (2014) fizeram uma avaliação termodinâmica para o processo de gaseificação da borra seca em um sistema adiabático a pressão atmosférica utilizando ar a condições ambiente, e avaliaram as eficiências a frio, energética e exergética do processo de gaseificação, buscando maximizá-las a partir da injeção de ar em duas zonas do gaseificador (redução e abaixo da grelha). Constataram que a energia química e a exergia do gás produzido foram aumentadas respectivamente, em 5 e 10 vezes em relação aos valores físicos correspondentes, assim como as eficiências a frio, energética e exergética da gaseificação da borra seca estão nas faixas de 22,9-55,5%, 43,7-72,4% e 42,5-50,4%, respectivamente. Concluíram que a injeção de ar na zona de redução aumenta a eficiência a frio, energética e exergética. Uma razão de ar injetado na zona redução/abaixo da grelha de 0,5 é a razão ótima para alcançar o valor máximo de eficiência para os três parâmetros.

Mandal e Chowdhury (2016) estudaram a gaseificação catalítica de borra de petróleo conduzida na presença de 10% em peso de uma mistura de óxido de níquel e alumina (NiO/Al2O3) a 773 K em um gaseificador em escala de laboratório. Os resultados mostraram

que foi obtido H2 de alta pureza (> 99,99%) após a adsorção de impurezas em uma unidade de

adsorção por oscilação de pressão. Por outro lado, determinaram que com a quantidade de H2

produzido nesse processo, pode-se economizar 22-37% do investimento de capital em relação aos processos convencionais de produção de H2. Além disso, estimaram que o período de

retorno esperado para uma planta de gaseificação catalítica de borra de petróleo, com capacidade de 10 toneladas por dia, seria de aproximadamente 2,9 anos, o qual indica uma alta viabilidade do processo.

Os resultados de testes experimentais de gaseificação de borra de petróleo e óleos pesados são apresentados na Tabela 2.2.

Tabela 2.2. Resultados da gaseificação de borra de petróleo e óleos pesados. Temperatura de gaseificação (°C) CO (%) CO2 (%) H2 (%) CH4 (%) Tipo de gaseificador Referência 850 28,65 69,38 1,40 0,57 Leito fixo de contracorrente Moltó et al. (2013) 1265 38,7 8,67 39,4 0,08 Leito arrastado Ashizawa et

al. (2005) 500 21% 17% 24% - Leito fixo de co-corrente Mandal e Chowdhury (2016) A gaseificação pode ser considerada como um potencial método para o tratamento de borra de petróleo, posto que é obtido um combustível gasoso que pode ser utilizado na mesma refinaria de petróleo como insumo ou matéria prima para outros processos. Segundo Gross et al. (2000), o hidrotratamento mais importante nas refinarias de petróleo é o processo de hidrodessulfurização para combustíveis líquidos como óleo diesel, gasolina e nafta, onde grandes quantidades de hidrogênio são necessárias, com o objetivo de diminuir a concentração de enxofre desses combustíveis. Portanto, o hidrogênio presente no gás produzido na gaseificação pode ser utilizado no processo de hidrodessulfurização. Outra vantagem da gaseificação são os baixos custos de operação e as possíveis aplicações do gás de gaseificação obtido, como por exemplo, a geração de eletricidade (AYDIN et al., 2018; WATSON et al., 2018; WIDJAYA et al., 2018).

Das tecnologias disponíveis para o tratamento da borra de petróleo, pode-se evidenciar que a maioria dessas tecnologias estão focadas à recuperação do óleo presente nos diferentes tipos de borra. No entanto, a gaseificação tem sido utilizada como uma alternativa nos últimos anos pelo baixo impacto ambiental (não é necessário a utilização de produtos químicos) e pela produção de um gás combustível que pode ser utilizado em diversas aplicações.